1.本专利涉及量子通信领域，尤其涉及与多芯光纤光网络融合传输的量子密钥分发系统。该方法主要可以降低经典信号和量子信号共纤传输系统中量子信号受到的噪声干扰，进而提升量子密钥分发系统的安全密钥率，扩展安全传输距离。
背景技术：2.量子密钥分发(quantum key distribution,qkd)技术根据量子力学的基本原理，结合一次一密技术可以为光网络提供理论安全保障。随着qkd的发展，在安全传输距离和安全密钥率等方面均取得了重大进步。
3.为推动qkd的实用化进程，与经典光网络融合传输是一个重要的发展趋势。融合传输可以降低光纤部署成本但是会引入新的挑战，即微弱量子信号易受到经典信号产生的噪声干扰，如拉曼散射噪声和四波混频噪声。这些噪声对于qkd系统是带内噪声，无法通过滤波器滤除，因此需要高效的波长分配方案实现低噪声、高密钥率的目标。同时，多芯光纤的引入使得传输容量提高，但是也会引入新的噪声，如芯间串扰噪声。目前，为降低量子信号受到的噪声干扰，多采取将量子信号和经典信号分配至不同波段或者降低经典信号功率等方式，这些方法虽然可以降低噪声，但是以牺牲资源利用率或经典信号性能为代价，不利于广泛推广。因此，严重的噪声干扰进一步制约了量子密钥分发系统中安全密钥率的提升。
4.综上所述，目前基于多芯光纤的量子密钥分发光传输系统亟需一种既可以提升安全密钥率，又可以提高资源利用率的波长分配方法。
技术实现要素：5.本专利针对空分复用量子密钥分发与经典光信号融合传输这一应用场景，设计了一种多芯光纤量子密钥分发中提升密钥率的非等间隔波长分配方法，能够在提高波长资源利用率的基础上，降低共纤传输系统中的噪声干扰，提高qkd系统的安全密钥率。该方法的技术要点为：量子信道非等频率间隔分配方案的步骤。
6.所提方案主要针对经典信道等间隔分布的情况，即经典信道之间的频率间隔是相等的。为了提高信道利用率，同时抑制芯间串扰噪声和四波混频噪声，量子信道和经典信道交织排布，同时，量子信道优先排布在经典信道的低波长侧，降低拉曼散射噪声对量子信号的干扰，最终提升qkd系统的安全密钥率。
7.如附图1所示，经典信道分为m个前向经典信道和n个后向经典信道q个量子信道分别为
8.针对所述技术要点具体说明如下：
9.在量子信道非等频率间隔分配方案中，量子信道之间的频率间隔不相等，进而选择最优的量子信道，共分为以下步骤：
10.s1、确定可选量子信道的数目其中g是可选量子信道的最小频率间隔，f1是可选量子信道的最低频率，f2是可选量子信道的最高频率，m和n分别是前向经典信道和后向经典信道的数目；
11.s2、计算m个前向经典信道和n个后向经典信道对k个可选量子信道的噪声干扰功率，所有经典信道对第k(k＝1,2
…
k)个可选量子信道的噪声计算如公式(1)所示，k个可选量子信道上的噪声功率为p＝[p1,p2,
…
pk]；
[0012][0013]
公式(1)中考虑的噪声主要为暗计数噪声、前向芯内拉曼散射噪声、前向芯间拉曼散射噪声、后向芯内拉曼散射噪声、后向芯间拉曼散射噪声、前向芯内四波混频噪声、前向芯间四波混频噪声、后向芯内四波混频噪声以及后向芯间四波混频噪声，i和j是为了计算所有经典信道对k个量子信道产生的噪声；
[0014]
s3、计算可选量子信道的安全密钥率，即r＝[r1,r2,
…rk
]；
[0015]
s4、去除可选量子信道中不能产生安全密钥的信道，剩余的信道称作候选量子信道；按照安全密钥率降序更新候选量子信道集合，即r
′
；
[0016]
s5、分配量子信道，ch(
·
)表示获取量子信道的函数。
[0017]
本专利所述方法可以应用于基于多芯光纤的量子密钥分发传输系统中，在提高波长资源利用率的同时，提升量子密钥分发系统的安全密钥率，扩展安全传输距离。通过本方法的实施可以为量子密钥分发与经典光网络的融合奠定基础，在提升量子密钥分发系统性能以及资源利用率等方面均具有积极推动作用。
附图说明
[0018]
附图1为前向经典信道频段低于后向经典信道频段的波长分配示意图。f1:可选量子信道的最低频率；f2:可选量子信道的最高频率；第一个前向经典信道的频率；第m个前向经典信道的频率；第一个后向经典信道的频率；第n个后向经典信道的频率；经典信道之间的频率间隔为g；可选量子信道之间的间隔为g，经典信道和最近的可选量子信道之间的间隔也是g。
[0019]
附图2为量子信道非等间隔波长分配方案的实施案例图。
具体实施方式
[0020]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0021]
下面以4个前向经典信道，4个后向经典信道为例进行说明，即m＝4，n＝4。经典信道之间的间隔为200ghz，即g＝200ghz。量子信道的数目为4，量子信道之间的信道间隔为50ghz，即q＝4，t＝4。前向经典信道的频率分别为194.2thz，194.4thz，194.6thz，194.8thz，后向经典信道的频率分别为195.0thz，195.2thz，195.4thz，195.6thz。
[0022]
对于量子信道非等频率间隔分配方案，需要根据公式(1)计算每个量子信道的噪声功率，进而计算安全密钥率。按照发明内容中的s1至s5，以安全密钥率最大为原则选择4个量子信道。当前向经典信道的频率分别为194.2thz，194.4thz，194.6thz，194.8thz，后向经典信道的频率分别为195.0thz，195.2thz，195.4thz，195.6thz时，选择的量子信道频率分别为195.55thz，195.05thz，194.95thz，194.9thz，如附图2所示。
[0023]
通过以上实施例可以看出，在量子密钥分发与经典光信号的融合传输中，采取本专利提出的量子信道非等频率间隔分配方案，可以提高量子密钥分发系统的性能，如扩展安全传输距离，提高安全密钥率等，同时，经典信道和量子信道交织分布，可以提高信道资源的利用率，为量子信号与经典信号共纤传输的应用提供技术支撑。
技术特征：1.一种多芯光纤量子密钥分发中提升密钥率的非等间隔波长分配方法，目的在于提升量子密钥分发系统的性能；经典信道之间等频率间隔分布，量子信道之间非等频率间隔分布，其特征在于，包括以下步骤：s1、确定可选量子信道数目；s2、计算可选量子信道上的噪声功率；s3、计算可选量子信道上的安全密钥率；s4、确定并更新候选量子信道；s5、分配量子信道。2.根据权利要求1所述一种多芯光纤量子密钥分发中提升密钥率的非等间隔波长分配方法，其特征在于，所述的步骤s1中，根据可选量子信道频率范围[f1,f2]，其中f1是可选量子信道的最低频率，f2是可选量子信道的最高频率；确定可选量子信道数目其中g是可选量子信道的最小频率间隔，m和n分别是前向经典信道和后向经典信道的数目。3.根据权利要求1至2中任意一项所述一种多芯光纤量子密钥分发中提升密钥率的非等间隔波长分配方法，其特征在于，所述的步骤s2中，计算m个前向经典信道和n个后向经典信道对k个可选量子信道上的噪声功率集合p；所有经典信道对第k(k＝1,2
…
k)个可选量子信道的噪声计算如公式(1)所示：公式(1)中考虑的噪声主要为暗计数噪声、前向芯内拉曼散射噪声、前向芯间拉曼散射噪声、后向芯内拉曼散射噪声、后向芯间拉曼散射噪声、前向芯内四波混频噪声、前向芯间四波混频噪声、后向芯内四波混频噪声以及后向芯间四波混频噪声，i和j是为了计算所有经典信道对k个量子信道产生的噪声。4.根据权利要求1至3中任意一项所述一种多芯光纤量子密钥分发中提升密钥率的非等间隔波长分配方法，其特征在于，所述的步骤s4中，在步骤s3计算的可选量子信道的安全密钥率集合r基础上，剔除可选量子信道中不能产生安全密钥的信道，剩余信道作为候选量子信道，按照安全密钥率降序更新候选量子信道集合，记为r
′
。5.根据权利要求1至4中任意一项所述一种多芯光纤量子密钥分发中提升密钥率的非等间隔波长分配方法，其特征在于，所述的步骤s5中，根据量子信道数目需求，从候选量子信道集合r
′
中获取量子信道频率进行分配。
技术总结本专利公开了一种多芯光纤量子密钥分发中提升密钥率的非等间隔波长分配方法，该方法适用于基于空分复用的量子密钥分发光网络。本方法主要考虑空分复用系统中涉及到的拉曼散射噪声、四波混频噪声、芯间串扰噪声等主要噪声，提出量子信道非等频率间隔分配方案，旨在提高量子密钥分发的安全密钥率，扩展安全传输距离。本发明为量子密钥分发与经典光网络的融合传输提供技术支撑，推动量子密钥分发的应用化进程。化进程。化进程。
技术研发人员：孙咏梅 孔维文 高耀先 纪越峰
受保护的技术使用者：北京邮电大学
技术研发日：2022.03.03
技术公布日：2022/7/5
